Bab 1 Sensor dan Transduser Tujuan Pembelajaran Umum Setelah mempelajari bab ini diharapkan mahasiswa memahami pengertian sensor dan transduser dan penggunaannya dalam sistem kendali. Tujuan Pembelajaran Khusus Setelah mempelajari topik per topik dalam bab ini, mahasiswa diharapkan : Dapat menyebutkan definisi dan perbedaan dari sensor, transduser dan alat ukur Mampu menyebutkan persyaratan umum dalam memilih sensor dan transduser Dapat menerangkan beberapa jenis sensor dan transduser yang ada di industri Mengerti tentang klasifikasi sensor dan transduser secara umum. Pendahuluan Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang cepat terutama dibidang otomasi industri. Perkembangan ini tampak jelas di industri pemabrikan, dimana sebelumnya banyak pekerjaan menggunakan tangan manusia, kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya dengan electro-mechanic (semi otomatis) dan sekarang sudah 1
120
Embed
Bab I · Web viewContoh; generator adalah transduser yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik,
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Bab 1Sensor dan Transduser
Tujuan Pembelajaran Umum
Setelah mempelajari bab ini diharapkan mahasiswa memahami pengertian sensor dan
transduser dan penggunaannya dalam sistem kendali.
Tujuan Pembelajaran Khusus
Setelah mempelajari topik per topik dalam bab ini, mahasiswa diharapkan :
Dapat menyebutkan definisi dan perbedaan dari sensor, transduser dan alat ukur
Mampu menyebutkan persyaratan umum dalam memilih sensor dan transduser
Dapat menerangkan beberapa jenis sensor dan transduser yang ada di industri
Mengerti tentang klasifikasi sensor dan transduser secara umum.
Pendahuluan
Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang cepat
terutama dibidang otomasi industri. Perkembangan ini tampak jelas di industri
pemabrikan, dimana sebelumnya banyak pekerjaan menggunakan tangan manusia,
kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya dengan electro-mechanic (semi
otomatis) dan sekarang sudah menggunakan robotic (full automatic) seperti penggunaan
Flexible Manufacturing Systems (FMS) dan Computerized Integrated Manufacture
(CIM) dan sebagainya.
Model apapun yang digunakan dalam sistem otomasi pemabrikan sangat
tergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian menunjukan
secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat tergantung kepada sensor
maupun transduser yang digunakan..
Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai
peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis. Ketepatan dan kesesuaian
dalam memilih sebuah sensor akan sangat menentukan kinerja dari sistem pengaturan
secara otomatis.
Besaran masukan pada kebanyakan sistem kendali adalah bukan besaran listrik,
seperti besaran fisika, kimia, mekanis dan sebagainya. Untuk memakaikan besaran
1
listrik pada sistem pengukuran, atau sistem manipulasi atau sistem pengontrolan, maka
biasanya besaran yang bukan listrik diubah terlebih dahulu menjadi suatu sinyal listrik
melalui sebuah alat yang disebut transducer
Sebelum lebih jauh kita mempelajari sensor dan transduser ada sebuah alat lagi
yang selalu melengkapi dan mengiringi keberadaan sensor dan transduser dalam sebuah
sistem pengukuran, atau sistem manipulasi, maupun sistem pengontrolan yaitu yang
disebut alat ukur.
1.1. Definisi-definisi
D Sharon, dkk (1982), mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi
untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu
energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik
dan sebagainya..
Contoh; Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit
sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, dan
lainnya.
William D.C, (1993), mengatakan transduser adalah sebuah alat yang bila
digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan
energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke
sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik,
kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas).
Contoh; generator adalah transduser yang merubah energi mekanik menjadi energi
listrik, motor adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik,
dan sebagainya.
William D.C, (1993), mengatakan alat ukur adalah sesuatu alat yang berfungsi
memberikan batasan nilai atau harga tertentu dari gejala-gejala atau sinyal yang berasal
dari perubahan suatu energi.
Contoh: voltmeter, ampermeter untuk sinyal listrik; tachometer, speedometer untuk
kecepatan gerak mekanik, lux-meter untuk intensitas cahaya, dan sebagainya.
1.2. Peryaratan Umum Sensor dan Transduser
2
Dalam memilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan
sistem yang akan disensor maka perlu diperhatikan persyaratan umum sensor
berikut ini : (D Sharon, dkk, 1982)
a. Linearitas
Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah
secara kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara
kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan
sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya
dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan
dengan masukannya berupa sebuah grafik. Gambar 1.1 memperlihatkan
hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda. Garis lurus pada gambar
1.1(a). memperlihatkan tanggapan linier, sedangkan pada gambar 1.1(b).
adalah tanggapan non-linier.
b. Sensitivitas
Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap
kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan
yang menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan
100
Tem
pera
tur (
mas
ukan
)
1
100
Tem
pera
tur (
mas
ukan
)
1
00Tegangan (keluaran)
(a) Tangapan linier (b) Tangapan non linier
Gambar 1.1. Keluaran dari transduser panas (D Sharon dkk, 1982),
Tegangan (keluaran)
3
masukan”. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan
dengan “satu volt per derajat”, yang berarti perubahan satu derajat pada
masukan akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya. Sensor
panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan “dua volt per derajat”, yang berarti
memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama. Linieritas sensor juga
mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila tanggapannya linier, maka
sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran keseluruhan.
Sensor dengan tanggapan paga gambar 1.1(b) akan lebih peka pada temperatur
yang tinggi dari pada temperatur yang rendah.
c. Tanggapan Waktu
Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya
terhadap perubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan
frekuensi yang jelek adalah sebuah termometer merkuri. Masukannya adalah
temperatur dan keluarannya adalah posisi merkuri. Misalkan perubahan
temperatur terjadi sedikit demi sedikit dan kontinyu terhadap waktu, seperti
tampak pada gambar 1.2(a).
Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diberikan dalam satuan
hertz (Hz). { 1 hertz berarti 1 siklus per detik, 1 kilohertz berarti 1000 siklus
per detik]. Pada frekuensi rendah, yaitu pada saat temperatur berubah secara
lambat, termometer akan mengikuti perubahan tersebut dengan “setia”. Tetapi
apabila perubahan temperatur sangat cepat lihat gambar 1.2(b) maka tidak
diharapkan akan melihat perubahan besar pada termometer merkuri, karena ia
bersifat lamban dan hanya akan menunjukan temperatur rata-rata.
4
Ada bermacam cara untuk menyatakan tanggapan frekuensi sebuah sensor.
Misalnya “satu milivolt pada 500 hertz”. Tanggapan frekuensi dapat pula
dinyatakan dengan “decibel (db)”, yaitu untuk membandingkan daya keluaran
pada frekuensi tertentu dengan daya keluaran pada frekuensi referensi.
Yayan I.B, (1998), mengatakan ketentuan lain yang perlu diperhatikan
dalam memilih sensor yang tepat adalah dengan mengajukan beberapa pertanyaan
berikut ini:
a. Apakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat yang
diperlukan?
b. Apakah ia cukup akurat?
c. Apakah ia bekerja pada jangkauan yang sesuai?
d. Apakah ia akan mempengaruhi kuantitas yang sedang diukur?.
Sebagai contoh, bila sebuah sensor panas yang besar dicelupkan kedalam
jumlah air air yang kecil, malah menimbulkan efek memanaskan air tersebut,
bukan menyensornya.
e. Apakah ia tidak mudah rusak dalam pemakaiannya?.
f. Apakah ia dapat menyesuaikan diri dengan lingkungannya?
g. Apakah biayanya terlalu mahal?
1.3. Jenis Sensor dan Transduser
Rat
a-ra
ta
Waktu
Tem
pera
tur
1 siklus
50
40
30
50
40
30
(a) Perubahan lambat (b) Perubahan cepat
Gambar 1.2 Temperatur berubah secara kontinyu (D. Sharon, dkk, 1982)
5
Perkembangan sensor dan transduser sangat cepat sesuai kemajuan teknologi
otomasi, semakin komplek suatu sistem otomasi dibangun maka semakin banyak
jenis sensor yang digunakan.
Robotik adalah sebagai contoh penerapan sistem otomasi yang kompleks, disini
sensor yang digunakan dapat dikatagorikan menjadi dua jenis sensor yaitu: (D
Sharon, dkk, 1982)
a. Internal sensor, yaitu sensor yang dipasang di dalam bodi robot.
Sensor internal diperlukan untuk mengamati posisi, kecepatan, dan akselerasi
berbagai sambungan mekanik pada robot, dan merupakan bagian dari
mekanisme servo.
b. External sensor, yaitu sensor yang dipasang diluar bodi robot.
Sensor eksternal diperlukan karena dua macam alasan yaitu:
1) Untuk keamanan dan
2) Untuk penuntun.
Yang dimaksud untuk keamanan” adalah termasuk keamanan robot, yaitu
perlindungan terhadap robot dari kerusakan yang ditimbulkannya sendiri, serta
keamanan untuk peralatan, komponen, dan orang-orang dilingkungan dimana
robot tersebut digunakan. Berikut ini adalah dua contoh sederhana untuk
mengilustrasikan kasus diatas.
Contoh pertama: andaikan sebuah robot bergerak keposisinya yang baru dan
ia menemui suatu halangan, yang dapat berupa mesin lain misalnya. Apabila
robot tidak memiliki sensor yang mampu mendeteksi halangan tersebut, baik
sebelum atau setelah terjadi kontak, maka akibatnya akan terjadi kerusakan.
Contoh kedua: sensor untuk keamanan diilustrasikan dengan problem robot
dalam mengambil sebuah telur. Apabila pada robot dipasang pencengkram
mekanik (gripper), maka sensor harus dapat mengukur seberapa besar tenaga
yang tepat untuk mengambil telor tersebut. Tenaga yang terlalu besar akan
menyebabkan pecahnya telur, sedangkan apabila terlalu kecil telur akan jatuh
terlepas.
Kini bagaimana dengan sensor untuk penuntun atau pemandu?. Katogori ini
sangatlah luas, tetapi contoh berikut akan memberikan pertimbangan.
Contoh pertama: komponen yang terletak diatas ban berjalan tiba di depan
robot yang diprogram untuk menyemprotnya. Apa yang akan terjadi bila
6
sebuah komponen hilang atau dalam posisi yang salah?. Robot tentunya harus
memiliki sensor yang dapat mendeteksi ada tidaknya komponen, karena bila
tidak ia akan menyemprot tempat yang kosong. Meskipun tidak terjadi
kerusakan, tetapi hal ini bukanlah sesuatu yang diharapkan terjadi pada suatu
pabrik.
Contoh kedua: sensor untuk penuntun diharapkan cukup canggih dalam
pengelasan. Untuk melakukan operasi dengan baik, robot haruslah
menggerakkan tangkai las sepanjang garis las yang telah ditentukan, dan juga
bergerak dengan kecepatan yang tetap serta mempertahankan suatu jarak
tertentu dengan permukaannya.
Sesuai dengan fungsi sensor sebagai pendeteksi sinyal dan meng-informasikan
sinyal tersebut ke sistem berikutnya, maka peranan dan fungsi sensor akan
dilanjutkan oleh transduser. Karena keterkaitan antara sensor dan transduser begitu
erat maka pemilihan transduser yang tepat dan sesuai juga perlu diperhatikan.
1.4. Klasifikasi Sensor
Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat
dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu:
a. sensor thermal (panas)
b. sensor mekanis
c. sensor optik (cahaya)
Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan
panas/temperature/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu.
Tabel berikut menyajikan prinsip kerja serta pemakaian transduser berdasarkan
sifat kelistrikannya.
Tabel 1. Kelompok Transduser
Parameter listrik dan kelas transduserPrinsip kerja dan sifat alatPemakaian
alatTransduser Pasif PotensiometerPerubahan nilai tahanan karena posisi kontak
bergeserTekanan, pergeseran/posisiStrain gagePerubahan nilai tahanan akibat
perubahan panjang kawat oleh tekanan dari luarGaya, torsi, posisiTransformator selisih
(LVDT)Tegangan selisih dua kumparan primer akibat pergeseran inti trafoTekanan,
gaya, pergeseranGage arus pusarPerubahan induktansi kumparan akibat perubahan jarak
platPergeseran, ketebalanTransduser AktifSel fotoemisifEmisi elektron akibat radiasi
yang masuk pada permukaan fotemisifCahaya dan radiasiPhotomultiplierEmisi elektron
sekunder akibat radiasi yang masuk ke katoda sensitif cahayaCahaya, radiasi dan relay
sensitif cahayaTermokopelPembangkitan ggl pada titik sambung dua logam yang
8
berbeda akibat dipanasiTemperatur, aliran panas, radiasiGenerator kumparan putar
(tachogenerator)Perputaran sebuah kumparan di dalam medan magnit yang
membangkitkan teganganKecepatan, getaranPiezoelektrikPembangkitan ggl bahan
kristal piezo akibat gaya dari luarSuara, getaran, percepatan, tekananSel foto
teganganTerbangkitnya tegangan pada sel foto akibat rangsangan energi dari
luarCahaya matahariTermometer tahanan (RTD)Perubahan nilai tahanan kawat akibat
perubahan temperaturTemperatur, panasHygrometer tahananTahanan sebuah strip
konduktif berubah terhadap kandungan uap airKelembaban relatifTermistor
(NTC)Penurunan nilai tahanan logam akibat kenaikan temperaturTemperaturMikropon
kapasitorTekanan suara mengubah nilai kapasitansi dua buah platSuara,
musik,derauPengukuran reluktansiReluktansi rangkaian magnetik diubah dengan
mengubah posisi inti besi sebuah kumparanTekanan, pergeseran, getaran, posisi
Sumber: William D.C, (1993)
Contoh Soal :
1. Apa saja peranan dan fungsi sensor dalam sistem kendali industri ?
2. Sebutkan syarat-syarat dalam memilih sensor yang baik ?
3. Sebutkan beberapa jenis sensor yang ada pada sebuah robotik ?
Jawaban :
1. Sensor berperan untuk mendeteksi gejala perubahan informasi sinyal dalam sistem
kontrol, dan berfungsi sebagai umpan balik pada sebuah sistem kendali otomatis.
2. Syarat sebuah sensor adalah linearitas, sensitivitas dan respon time
3. Jenis sensor pada robotik adalah: internal sensor dan eksternal sensor
Latihan :
1. Apa yang dimaksud dengan sensor, transduser dan alat ukur
2. Jelaskan perbedaan ketiganya.
3. Persyaratan umum sensor dan transduser adalah linearitas, sensitivitas dan tanggapan
respon. Jelaskan maksud dari masing-masing syarat tersebut.
4. Jelaskan perbedaan antara transduser aktif dan transduser pasif.
Rangkuman :
9
Bab 1 ini mejelaskan tentang; definisi-definisi, persyaratan, jenis-jenis dan klasifikasi
sensor dan transduser.
Review :
1. Jelaskan dengan gambar yang dimaksud dengan tanggapan linear dan non linear ?
2. Adakah ketentuan lain yang harus diketahui dalam memilih sensor dan transduser
3. Apa fungsi dan kegunaan external sensor pada sebuah robot ?
4. Sebutkan beberapa buah transduser aktif dan transduser pasif yang anda ketahui ?
Bab 2Sensor Thermal
10
Tujuan Pembelajaran Umum
Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan memiliki pengetahuan
tentang sensor thermal yang banyak digunakan pada sistem pengontrolan di industri
Tujuan Pembelajaran Khusus
Setelah mempelajari topik per topik pada bab ini mahasiswa diharapkan :
1. Mengerti peranan dan fungsi sensor thermal dalam sistem pengaturan otomasi
2. Mengerti tentang bimetal sebagai sensor thermal
3. Mengerti tentang termistor sebagai sensor thermal
4. Mengerti tentang RTD sebagai sensor thermal
5. Mengerti tentang Termokopel sebagai sensor thermal
6. Mengerti tentang Dioda (IC Hybrid) sebagai sensor thermal
7. Mengerti tentang Infrared Pyrometer sebagai sensor thermal
Pendahuluan
AC. Srivastava, (1987), mengatakan temperatur merupakan salah satu dari
empat besaran dasar yang diakui oleh Sistem Pengukuran Internasional (The
International Measuring System). Lord Kelvin pada tahun 1848 mengusulkan skala
temperature termodinamika pada suatu titik tetap triple point, dimana fase padat, cair
dan uap berada bersama dalam equilibrium, angka ini adalah 273,16 oK ( derajat Kelvin)
yang juga merupakan titik es. Skala lain adalah Celcius, Fahrenheit dan Rankine dengan
hubungan sebagai berikut:oF = 9/5 oC + 32 atau oC = 5/9 (oF-32) atau oR = oF + 459,69
Yayan I.B, (1998), mengatakan temperatur adalah kondisi penting dari suatu
substrat. Sedangkan “panas adalah salah satu bentuk energi yang diasosiasikan dengan
aktifitas molekul-molekul dari suatu substrat”. Partikel dari suatu substrat diasumsikan
selalu bergerak. Pergerakan partikel inilah yang kemudian dirasakan sebagai panas.
Sedangkan temperatur adalah ukuran perbandingan dari panas tersebut.
Pergerakan partikel substrat dapat terjadi pada tiga dimensi benda yaitu:
1. Benda padat,
11
2. Benda cair dan
3. Benda gas (udara)
Aliran kalor substrat pada dimensi padat, cair dan gas dapat terjadi secara :
1. Konduksi, yaitu pengaliran panas melalui benda padat (penghantar) secara kontak
langsung
2. Konveksi, yaitu pengaliran panas melalui media cair secara kontak langsung
3. Radiasi, yaitu pengaliran panas melalui media udara/gas secara kontak tidak langsung
Pada aplikasi pendeteksian atau pengukuran tertentu, dapat dipilih salah satu tipe
sensor dengan pertimbangan :
1. Penampilan (Performance)
2. Kehandalan (Reliable) dan
3. Faktor ekonomis ( Economic)
Pemilihan Jenis Sensor Suhu
Hal-hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan pemilihan jenis sensor suhu
adalah: (Yayan I.B, 1998)
1. Level suhu maksimum dan minimum dari suatu substrat yang diukur.
2. Jangkauan (range) maksimum pengukuran
3. Konduktivitas kalor dari substrat
4. Respon waktu perubahan suhu dari substrat
5. Linieritas sensor
6. Jangkauan temperatur kerja
Selain dari ketentuan diatas, perlu juga diperhatikan aspek phisik dan kimia dari
sensor seperti ketahanan terhadap korosi (karat), ketahanan terhadap guncangan,
pengkabelan (instalasi), keamanan dan lain-lain.
Tempertur Kerja Sensor
Setiap sensor suhu memiliki temperatur kerja yang berbeda, untuk pengukuran
suhu disekitar kamar yaitu antara -35oC sampai 150oC, dapat dipilih sensor NTC, PTC,
transistor, dioda dan IC hibrid. Untuk suhu menengah yaitu antara 150oC sampai 700oC,
dapat dipilih thermocouple dan RTD. Untuk suhu yang lebih tinggi sampai 1500oC,
tidak memungkinkan lagi dipergunakan sensor-sensor kontak langsung, maka teknis
pengukurannya dilakukan menggunakan cara radiasi. Untuk pengukuran suhu pada
12
daerah sangat dingin dibawah 65oK = -208oC ( 0oC = 273,16oK ) dapat digunakan
resistor karbon biasa karena pada suhu ini karbon berlaku seperti semikonduktor. Untuk
suhu antara 65oK sampai -35oC dapat digunakan kristal silikon dengan kemurnian tinggi
sebagai sensor.
Gambar 2.1. berikut memperlihatkan karakteristik dari beberapa jenis sensor
suhu yang ada.
ThermocoupleRTDThermistorIC Sensor
V
T R
T R
T V, I
- T Advantagesself powered- simple- rugged- inexpensive- wide variety- wide temperature rangemost stable- most accurate- more linear than termocouplehigh output- fast- two-wire ohms measurementmost linear- highest output
inexpensiveDisadvantages
- non linear- low voltage- reference required- least stable
13
- least sensitiveexpensive- power supply required- small ΔR- low absolute resistance- self heatingnon linear- limited temperature range- fragile- power supply required- self heatingT < 200oC- power supply required- slow- self heatinglimited configuration Gambar 2.1. Karakteristik sensor temperature (Schuller, Mc.Name, 1986)
2.1. Bimetal
Bimetal adalah sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena
kesederhanaan yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat strika listrik dan
lampu kelap-kelip (dimmer). Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah
lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu.
Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian
tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua
lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien
muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai
lebih rendah memuai lebih pendek. Oleh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka
bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya
bimetal dapat dibentuk menjadi saklar Normally Closed (NC) atau Normally Open
(NO).
Gambar 2.2. Kontruksi Bimetal ( Yayan I.B, 1998)
Disini berlaku rumus pengukuran temperature dwi-logam yaitu :
Bimetal sesudahdipanaskan
Bimetal sebelumdipanaskan
Logam ALogam B
14(2.1)
dan dalam praktek tB/tA = 1 dan (n+1).n =2, sehingga;
di mana ρ = radius kelengkungan
t = tebal jalur total
n = perbandingan modulus elastis, EB/EA
m = perbandingan tebal, tB/tA
T2-T1 = kenaikan temperature
αA, αB = koefisien muai panas logamA dan logam B
2.2. Termistor
Termistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan
sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya
negatif. Umumnya tahanan termistor pada temperatur ruang dapat berkurang 6% untuk
setiap kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan
temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan
kompensasi temperatur secara presisi.
Termistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan seperti:
lebih kecil dibandingkan P1. Sensor jenis ini memiliki keunggulan diabnding venture
dan orifice plate yaitu:
1. Masih dapat melewatkan padatan
2. Kapasitas aliran cukup besar
3. Mudah dalam pemasangan
4. Tahan terhadap gesekan fluida
5. Beda tekanan yang diperoleh lebih besar daripada pipa venturi
6. Hasil beda tekanan cukup baik karena aliran masih laminer
Gambar 3.39. Flow Nozzle
3.4.1.4. Pipa Pitot
P1P2
Aliran Fluida
P1 > P2
57
P2P1
P1 > P2
Aliran fluida
Konstruksi pipa ini adalah berupa pipa biasa sedang di bagian tengah pipa
diselipkan pipa kecil yang dibengkokkan ke arah inlet. Jenis pipa ini jarang
dipergunakan di industri karena dengan adanya pipa kecil di bagian tengah akan
menyebabkan benturan yang sangat kuat terhadap aliran fluida. Alat ini hanya
dipergunakan untuk mengukur aliran fluida yang sangat lambat.
Gambar 3.40. Pipa Pitot
3.4.1.5. Rotameter
Rotameter terdiridari tabung vertikal dengan lubang gerak di mana kedudukan
pelampung dianggap vertical sesuai dengan laju aliran melalui tabung (Gambar 3.41).
Untuk laju aliran yang diketahui, pelampung tetap stasioner karena gaya vertical dari
tekanan diferensial, gravitasi, kekentalan, dan gaya-apung akan berimbang. Jadi
kemampuan menyeimbangkan diri dari pelampung yang digantung dengan kawat dan
tergantung pada luas dapat ditentukan. Gaya kebawah (gravitasi dikurangi gaya apung)
adalah konstan dan demikian pula gaya keatas (penurunan tekanan dikalikan luas
pelampung) juga harus konstan. Dengan mengasumsikan aliran non kompresif, hasilnya
adalah sebagai berikut:
Di mana, Q = laju aliran volume C = koefisien pengosongan At = luas tabung Af = luas pelampung Vf = volume pelampung Wf = berat jenis pelampung Wff = berat jenis fluida yang mengalir
58
Inlet
Outlet
x
Tabung gelas
Pelampung
P1
Aliran fluida
P2
P1 > P2
Gambar 3.41. Rotameter
Pelampung dapat dibuat dari berbagai bahan untuk mendapatkan beda kerapatan
yang diperlukan (Wf-Wff) untuk mengukur cairan atau gas tertentu. Tabung sering
dibuat dari gelas berkekuatan tinggi sehingga dapat dilakukan pengamatan langsung
terhadap kedudukan pelampung.
3.4.2. Cara-cara Thermal
Cara-cara thermal biasanya dipergunakan untuk mengukur aliran udara.
Pengukuran dengan menggunakan carathermal dapat dilakukan dengan cara-cara :
Anemometer kawat panas
Teknik perambatan panas
Teknik penggetaran
3.4.2.1. Anemometer Kawat Panas
Metoda ini cukup sederhana yaitu dengan menggunakan kawat yang dipanaskan
oleh aliran listrik, arus yang mengalir pada kawat dibuat tetap konstan menggunakan
sumber arus konstan. Jika ada aliran udara, maka kawat akan mendingin (seperti kita
meniup lilin) dengan mendinginnya kawat, maka resistansi kawat menurun. Karena
dipergunakan sumber arus konstan, maka kita dapat menyensor tegangan pada ujung-
ujung kawat. Sensor jenis ini memiliki sensitivitas sangat baik untuk menyensor aliran
gas yang lambat. Namun sayangnya penginstalasian keseluruhan sensor tergolong sulit.
Disini berlaku rumus :
59
di mana : I = arus kawat
Rw = resistansi kawat
Kc = faktor konversi, panas ke daya listrik
Tw = temperatur kawat
Tt = temperatur fluida yang mengalir
Hc = koefisien film (pelapis) dari perpindahan panas
A = luas perpindahan panas
Gambar 3.42. Kontruksi Anemometer Kawat Panas
3.4.2.2. Perambatan Panas
Pada teknik perambatan panas, pemanas dipasang pada bagian luar pipa, pipa
tersebut terbuat dari bahan logam. Di kiri dan kanan pemanas, dipasang bahan isolator
panas, dan pada isolator ini dipasang sensor suhu. Bila udaramengalir dari kiri ke kanan,
maka suhu disebelah kiri akan terasa lebih dingin dibanding suhu sebelah kanan.
Gambar 3.43. Flowmeter Rambatan Panas
Sensor suhu yang digunakan dapat berupa sensor resistif tetapi yang biasa
terpasang adalah thermokopel karena memiliki respon suhu yang cepat. Sensor aliran
(a) tertutup (b) terbuka
Aliranfluida
T1 T2
Sensor suhu Sensor suhuElemen pemanas
T1 < T2
60
perambatan panas tipe lama, memanaskan seluruh bagian dari saluran udara, sehingga
dibutuhkan pemanas sampai puluhan kilowatt, untuk mengurangi daya panas tersebut
digunakan tipe baru dengan membelokkan sebagian kecil udara kedalam sensor.
3.4.3. Flowmeter Radio Aktif
Teknik pengukuran aliran dengan radio aktif adalah dengan menembakkan
partikel netron dari sebuah pemancar radio aktif. Pada jarak tertentu kea rah outlet,
dipasang detector. Bila terjadi aliran, maka akan terdeteksi adanya partikel radio aktif,
jumlah partikel yang terdeteksi pada selang tertentu akan sebanding dengan kecepatan
aliran fluida.
Teknik lain yang masih menggunakan teknik radio aktif adalah dengan cara
mencampurkan bahan radio aktif kedalam fluida kemudian pada bagian-bagian tertentu
dipasang detector. Teknik ini dilakukan bila terjadi kesulitan mengukur misalnya karena
bahan aliran terdiri dari zat yang berada pada berbagai fase.
Teknik radio aktif ini juga biaa dipergunakan pada pengobatan yaitu mencari posisi
pembuluh darah yang macet bagi penderita kelumpuhan.
Gambar 3.44. Flowmeter Cara Radiasi Nuklir
3.4.4. Flowmeter Elektromagnetis
Flowmeter jenis ini biasa digunakan untuk mengukur aliran cairan elektrolit.
Flowmeter ini menggunakan prinsip Efek Hall, dua buah gulungan kawat tembaga
dengan inti besi dipasang pada pipa agar membangkitkan medan magnetik. Dua buah
Aliran
Sumber radiasinetron
Detektor mendeteksi muatan ion akibat radiasi
61
elektroda dipasang pada bagian dalam pipa dengan posisi tegak lurus arus medan
magnet dan tegak lurus terhadap aliran fluida.
Bila terjadi aliran fluida, maka ion-ion posistif dan ion-ino negatif membelok ke
arah elektroda. Dengan demikian terjadi beda tegangan pada elektroda-elektrodanya.
Untuk menghindari adanya elektrolisa terhadap larutan, dapat digunakan arus AC
sebagai pembangkit medan magnet.
Gambar 3.45. Prinsip Pengukuran Aliran menggunakan Efek Hall
3.4.5. Flowmeter Ultrasonic
Flowmeter ini menggunakan Azas Doppler.Dua pasang ultrasonic transduser
dipasang pada posisi diagonal dari pipa, keduanya dipasang dibagian tepi dari pipa,
untuk menghindari kerusakan sensor dantyransmitter, permukaan sensor dihalangi oleh
membran. Perbedaan lintasan terjadi karena adanya aliran fluida yang menyebabkan
pwerubahan phase pada sinyal yang diterima sensor ultrasonic
Gambar 3.46. Sensor Aliran Fluida Menggunakan Ultrasonic
Aliran fluida
Lintasan ion positif
Lintasan ion negatif
Medan magnet arah meninggalkan kita
Elektroda logam
+
_
Ultra sonicTx - Rx
Ultra sonicTx - Rx
62
3.5. Sensor Level
Pengukuran level dapat dilakukan dengan bermacam cara antara lain dengan:
pelampung atau displacer, gelombang udara, resistansi, kapasitif, ultra sonic, optic,
thermal, tekanan, sensor permukaan dan radiasi. Pemilihan sensor yang tepat tergantung
pada situasi dan kondisi sistem yang akan di sensor.
3.5.1. Menggunakan Pelampung
Cara yang paling sederhana dalam penyensor level cairan adalah dengan
menggunakan pelampung yang diberi gagang. Pembacaan dapat dilakukan dengan
memasang sensor posisi misalnya potensiometer pada bagian engsel gagang
pelampung. Cara ini cukup baik diterapkan untuk tanki-tanki air yang tidak terlalu
tinggi.
Gambar 3.47. Sensor Level Menggunakan Pelampung
3.5.2. Menggunakan Tekanan
Untuk mengukur level cairan dapat pula dilakukan menggunakan sensor tekanan
yang dipasang di bagian dasar dari tabung. Cara ini cukup praktis, akan tetapi
ketelitiannya sangat tergantung dari berat jenis dan suhu cairan sehingga kemungkinan
kesalahan pembacaan cukup besar.
Sedikit modifikasi dari cara diatas adalah dengan cara mencelupkan pipa berisi
udara kedalam cairan. Tekanan udara didalam tabung diukur menggunakan sensor
h
Pelampung
Gagang Potensiometer
Cairan
63
tekanan, cara ini memanfaatkan hukum Pascal. Kesalahan akibat perubahan berat jenis
cairan dan suhu tetap tidak dapat diatasi.
Gambar 3.48. Sensor Level Menggunakan Sensor Tekanan
3.5.3. Menggunakan Cara Thermal
Teknik ini didasarkan pada fakta penyerapan kalor oleh cairan lebih tinggi
dibandingkan penyerapan kalor oleh uapnya, sehingga bagian yang tercelup akan lebih
dingin dibandingkan bagian yang tidak tercelup. Kontruksi dasar sensor adalah terdidiri
dari sebuah elemen pemanas dibentuk berliku-liku dan sebuah pemanas lain dibentuk
tetap lurus. Dua buah sensor diletakkan berhadapan dengan bagian tegakdari pemanas,
sebuah sensor tambahan harus diletakkan selalu berada dalam cairan yang berfungsi
untuk pembanding. Kedua sensor yang berhadapan dengan pemanas digerakkan oleh
sebuah aktuator secara perlahan-lahan dengan perintah naik atau turun secara bertahap.
Mula-mula sensor diletakkan pada bagian paling atas, selanjutnya sensor suhu
digerakkan ke bawah perlahan-lahan, setiap terdeteksi adanya perubahan suhu pada
sensor yang berhadapan pada pemanas berliku, maka dilakukan penambahan
pencacahan terhadap pencacah elektronik. Pada saat sensor yang berhadapan dengan
pemanas lurus mendeteksi adanya perubahan dari panas ke dingin, maka hasil
pencacahan ditampilkan pada peraga.
Sensor level cairan dengan cara thermal ini biasanya digunakan pada tanki-tanki
boiler, karena selain sebagai sensor level cairan, juga dapat dipergunakan untuk
mendeteksi gradien perubahan suhu dalam cairan.
Sensor Tekanan
Cairan dengan berat jenis diketahui dan tetap
64
Sensor suhu pendeteksi permukaan
Kawat pemanas pendeteksi permukaan
Sensor suhu untuk pembanding
Switch pendeteksi batas atas
Sensor suhu pendeteksi posisi
Sensor suhu digerakan turun naik
Kawat pemanas pendeteksi posisi
Level air yang disensor
Gambar 3.49. Teknik Penyensoran Level Cairan Cara Thermal
Gambar 3.50. Blok Diagram Pengolahan dan Pendisplayan Sensor Level
Menggunakan Cara Thermal
3.5.4. Menggunakan Cara Optik
Pengukuran level menggunakan optic didasarkan atas sifat pantulanpermukaan
atau pembiasan sinar dari cairan yang disensor. Ada beberapa carayang dapat digunakan
untuk penyensoran menggunakan optic yaitu:
1. Menggunakan sinar laser
2. Menggunakan prisma
3. Menggunakan fiber optik
65
Sensor permukaan
Arah motor
Sensor posisi
Batas atas
+1-1
Reset
Pencacah
Ambil data dari pencacah
Peraga / Display
3.5.4.1. Menggunakan Sinar Laser
Sinar laser dari sebuah sumber sinar diarahkan ke permukaan cairan, kemudian
pantulannya dideteksi menggunakan detector sinar laser. Posisi pemancar dan detector
sinar laser harus berada pada bidang yang sama. Detektor dan umber sinar laser diputar.
Detektor diarahkan agar selalu berada pada posisi menerima sinar. Jika sinar yang
datang diterima oleh detektor, maka level permukaan cairan dapat diketahui dngan
menghitung posisi-posisi sudut dari sudut detektor dan sudut pemancar.
Gambar 3.51. Sensor Level menggunakan Sinar Laser
3.5.4.2. Menggunakan Prisma
Teknik ini memanfaatkan harga yang berdekatan antara index bias air dengan
index bias gelas. Sifat pantulan dari permukaan prisma akan menurun bila prisma
dicelupkan kedalam air. Prisma yang digunakan adalah prisma bersudut 45 dan 90
derajat. Sinar diarahkan ke prisma, bila prisma ditempatkan di udara, sinar akan
dipantulkan kembali setelah melewati permukaan bawah prisma. Jika prisma
ditempatkan di air, maka sinar yang dikirim tidak dipantulkan akan tetapi dibiaskan oleh
air, Dengan demikian prisma ini dapat digunakan sebagai pengganti pelampung.
Keuntungan yang diperoleh ialah dapat mereduksi ukuran sensor.
66
Sinar laser
PenerimaPemancar
RecieverTransmitter
Prisma di udara
air
RecieverTransmitter
Prisma di air
Gambar 3.52. Sensor Level menggunakan Prisma
3.5.4.3. Menggunakan Fiber Optik
Teknik ini tidak jauh berbeda dengan teknik penyensoran permukaan air
menggunakan prisma, yaitu menggunakan prinsip pemantulan dan pembiasan sinar. Jika
fiber optic diletakan di udara, sinar yang dimasukan ke fiber optic dipantulkan oleh
dinding fiber optic, sedangkan bila fiber optic telanjang dimasukan ke air, maka dinding
fiber optic tidak lagi memantulkan sinar
Gambar 3.53. Sensor Level menggunakan Serat Optik
Contoh Soal:
1. Sebutkan beberapa macam sensor mekanik yang anda ketahui
2. Jelaskan cara kerja straingauge yang digunakan sebagai sensor posisi
3. Ada berapa macam tachogenerator yang dapat digunakan sebagai sensor kecepatan
67
Jalan sinar dalam serat opticSinar dipantulkan oleh dinding serat optik
Transmitter Receiver Transmitter Receiver
air
Fiber optic telanjang
4. Sebutkan beberapa jenis sensor tekanan yang anda ketahui
5. Pipa venturi dapat digunakan sebagai sensor aliran bagaimana caranya
6. Ada berapa cara dapat dilakukan untuk penyensoran level cairan.